Collective cell migration is a coordinated movement of multi-cell systems essential for various processes throughout life. The collective motions often occur under spatial restrictions, hallmarked by the collective rotation of epithelial cells confined in circular substrates. Here, we aim to explore how geometric shapes of confinement regulate this collective cell movement. We develop quantitative methods for cell velocity orientation analysis, and find that boundary cells exhibit stronger tangential ordering migration than inner cells in circular pattern. Furthermore, decreased tangential ordering movement capability of collective cells in triangular and square patterns are observed, due to the disturbance of cell motion at unsmooth corners of these patterns. On the other hand, the collective cell rotation is slightly affected by a convex defect of the circular pattern, while almost hindered with a concave defect, also resulting from different smoothness features of their boundaries. Numerical simulations employing cell Potts model well reproduce and extend experimental observations. Together, our results highlight the importance of boundary smoothness in the regulation of collective cell tangential ordering migration.

核孔复合物（NPC）是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构，在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而，由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失，给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息，结合基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）和层次聚类算法进行数据的提取和分类，建立了NPC筛选和定位的分析流程，并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步，基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理，成功复现出了其经典的八重对称结构，并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程，填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析，揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。

成熟人红细胞膜骨架是由膜下多种蛋白组成的三角晶格网状结构，在维持红细胞形态、变形性、运动和代谢等功能方面扮演着重要角色。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术在解析骨架超微结构方面展现出了强大的能力，但分辨率的提升对成像分析手段提出了更高要求。作为一种常用的空间分析方法，Vorono?分割在SMLM图像聚类分析中已被广泛应用。笔者利用自主搭建的SMLM超分辨成像系统获得红细胞膜蛋白和骨架蛋白的超分辨点簇图像，对点簇质心进行Vorono?分割，并对Vorono?多边形面积分布进行伽马函数拟合，发现自由膜蛋白CD59的伽马分布峰值对应的x轴坐标x_peak为0.78。结合模拟结果，验证了自由膜蛋白CD59呈随机分布。进一步，肌动蛋白、血影蛋白N端和原肌球蛋白的Vorono?分析结果显示它们的x_peak均为0.86，而锚蛋白的x_peak为0.84，说明骨架膜蛋白呈相对均匀的分布状态，但锚蛋白较其他骨架蛋白更具随机性。Vorono?方法可助力阐释红细胞膜骨架蛋白的空间分布特性，同时也为点簇状SMLM超分辨图像数据的深入提取提供了新思路和新方法。

为抑制光学系统内部的杂散光反射，设计了一种具有非对称特征的新型微结构。该微结构通过减少镜面反射的方式，防止外部杂散光到达光学系统像面位置。为实现对非对称微结构的激光高速加工制备，提出了激光振镜加工系统进行倾斜加工的新方式。设计了新型的高速激光加工平台，制备了非对称的铝基微结构，并搭建了镜面反射测试实验和仿真综合实验对样品进行对比测试。结果表明，加工样品对杂散光具有良好的抑制效果。当设定入射角度为15°、照明光束为650 nm激光时，该微结构与常规的阳极氧化表面相比，抑制杂散光的性能提高了10倍，相对反射率仅为0.008%。

研究了激光功率正弦调制对AZ31镁合金焊缝熔深和工艺气孔的影响。保持激光功率恒定在1500 W，将焊接速度从3.0 m/min逐步增加到4.0 m/min，观察了匙孔周期性开闭行为，分析了不同反射次数对高反射材料匙孔能量分布的影响规律。在不同焊接速度下采用激光功率正弦调制，调制幅度为500 W，调制频率从50 Hz逐步增加至200 Hz，统计了焊缝熔深和工艺气孔率的变化趋势。试验结果表明：对于高反射材料，激光功率调制效果与匙孔内光束反射次数有关，反射次数较多的匙孔具有较大深宽比，匙孔底部累积能量高，深度变化滞后于激光功率变化，激光功率调制有助于增加熔深。激光功率正弦调制不利于镁合金匙孔稳定，50 Hz低频调制显著增加工艺气孔，调制频率为150 Hz时激光功率正弦调制对匙孔稳定性的影响较小。

Actin cytoskeleton plays crucial roles in various cellular functions. Extracellular matrix (ECM) can modulate cell morphology by remodeling the internal cytoskeleton. To define how geometry of ECM regulates the organization of actin cytoskeleton, we plated individual NIH 3T3 cells on micropatterned substrates with distinct shapes and sizes. It was found that the stress fibers could form along the nonadhesive edges of T-shaped pattern, but were absent from the opening edge of V-shaped pattern, indicating that the organization of actin cytoskeleton was dependent on the mechanical environment. Furthermore, a secondary actin ring was observed on 50μm circular pattern while did not appear on 30μm and 40μm pattern, showing a size-dependent organization of actin cytoskeleton. Finally, osteoblasts, MDCK and A549 cells exhibited distinct organization of actin cytoskeleton on T-shaped pattern, suggesting a cell-type specificity in arrangement of actin cytoskeleton. Together, our findings brought novel insight into the organization of actin cytoskeleton on micropatterned environments.Actin cytoskeleton plays crucial roles in various cellular functions. Extracellular matrix (ECM) can modulate cell morphology by remodeling the internal cytoskeleton. To define how geometry of ECM regulates the organization of actin cytoskeleton, we plated individual NIH 3T3 cells on micropatterned substrates with distinct shapes and sizes. It was found that the stress fibers could form along the nonadhesive edges of T-shaped pattern, but were absent from the opening edge of V-shaped pattern, indicating that the organization of actin cytoskeleton was dependent on the mechanical environment. Furthermore, a secondary actin ring was observed on 50μm circular pattern while did not appear on 30μm and 40μm pattern, showing a size-dependent organization of actin cytoskeleton. Finally, osteoblasts, MDCK and A549 cells exhibited distinct organization of actin cytoskeleton on T-shaped pattern, suggesting a cell-type specificity in arrangement of actin cytoskeleton. Together, our findings brought novel insight into the organization of actin cytoskeleton on micropatterned environments.

膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能，在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能，但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）是常用的聚类方法之一，但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法，该算法以DBSCAN方法为分割基础，通过进一步的面积阈值分析和层次聚类，在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下，仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法，有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。

稀土类发光材料由于其丰富的光学特性而具有重要的研究与应用价值。其中，稀土上转换发光材料在近年来尤为受人瞩目，与之相关的研究成果遍布物理、化学、生物、材料和多个交叉领域。有别于大多数发光材料的共性，上转换材料的激发-发射谱峰波长呈现为反斯托克斯位移，因此能够在短波长谱带范围绕过背景噪声且传输发光信息。作为对这一光物理机制的理解运用，人们通过化学方法合成了纳米尺度的稀土上转换发光材料，并且在生物样品荧光显微成像中成功证实了上转换发光标记物的高信噪比检测。以上转换发光微纳材料的光物理性质研究为主题，介绍和梳理了稀土上转换纳米材料在偏振光谱解析、单纳米颗粒超分辨发光成像、微型激光器构筑方面的研究进展。